Современные технические средства эталонных комплексов

   Различают также восстановленную и невосстановленную  твёрдость.

   Восстановленная твёрдость определяется как отношение  нагрузки к площади или объему отпечатка, а невосстановленная твёрдость определяется как отношение силы сопротивления внедрению индентора к площади или объему внедренной в материал части индентора.

   Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2 Н до 30 кН. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2 мкм. Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм. Часто твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью.

   Твёрдость прежде всего зависит от нагрузки, прикладываемой к индентору. Такая  зависимость получила название размерного эффекта, в англоязычной литературе — indentation size effect. Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой индентора :

• для сферического индентора — с уменьшением нагрузки твердость уменьшается — обратный размерный эффект (reverse indentation size effect);
• для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича — с уменьшением нагрузки твердость увеличивается — прямой или просто размерный эффект (indentation size effect);
• для сфероконического индентора (типа конуса для твердомера Роквелла) — с увеличением нагрузки твердость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для сфероконической части индентора).

   Для измерения  твёрдости существует несколько  шкал (методов измерения):

   Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность.

   Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади  отпечатка (причём площадь отпечатка  берётся как площадь части  сферы, а не как площадь круга (твердость по Мейеру)); размерность  единиц твердости по Бринеллю Па (кгс/мм²). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B — Бринелль;

   Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR =100 - kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100.

   Метод Виккерса — твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кгс/мм2. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;

   Методы  Шора:

• Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) — твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора)[4] под действием калиброванной пружины. В данном методе изм. прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, описанный стандартом ASTM D2240, оговаривает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с явным указанием метода.
• Дюрометры и шкалы Аскер — по принципу измерения соответствует методу Шора. Фирменная и нац. японская модификация метода. Используется для мягких и эластичных материалов. Отличается от классического метода Шора некоторыми параметрами изм. прибора, фирменными наименованиями шкал и инденторами.
• Твёрдость по Шору (Метод отскока) — метод определения твёрдости преимущественно металлов, по скорости отскока специального бойка (осн. часть склероскопа — изм. прибора для данного метода), падающего с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных скорости отскока бойка. Основные шкалы C и D. Обозначается HSx, где H — Hardness, S — Shore и x — латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

   Следует понимать, что хотя оба этих метода являются методами измерения твёрдости, предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие названия и совпадающие обозначения шкал это — не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.

   Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера  — твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;

   Метод Польди (двойного отпечатка шарика) — твердость оценивается в  сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон (см. илл.);

   Шкала Мооса — определяется по тому, какой  из десяти стандартных минералов  царапает тестируемый материал, и  какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

   Метод Бухгольца — метод определения  твердости при помощи прибора  «Бухгольца», предназначен для испытания  на твердость (твердость по Бухгольцу) полимерных лакокрасочных покрытий при вдавливании индентора «Бухгольца». Метод регламентируют стандарты ISO 2815, DIN 53153, ГОСТ 22233.

   Методы  измерения твёрдости делятся  на две основные категории: статические  методы определения твёрдости и  динамические методы определения твёрдости.

   Для инструментального  определения твёрдости используются приборы, именуемые твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам.

   Существующие  методы определения твёрдости не отражают целиком какого-нибудь одного определённого фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближенные таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определённых групп и категорий материалов. Данные таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчетным методом перейти от одного способа определения твердости к другому.

   Конкретный  способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.

   В СНГ  стандартизированы не все шкалы  твёрдости.

   Давление (P) — физическая величина, характеризующая состояние сплошной среды и численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности. Рассмотрим основные модели.

   Грузопоршневые  манометры серии Р предназначены  для точного воспроизведения  единицы избыточного давления, разрежения. Применяются в качестве эталонов при поверке, калибровке, регулировке и градуировке высокоточных датчиков давления, разрежения, давления разрежения, а также образцовых манометров и калибраторов давления и других средств измерений.

   Модели  с одним поршнем обеспечивают воспроизведение избыточного давления или разрежения, с двумя поршневыми парами избыточного давления и разрежения. Модели с диапазоном избыточного давления до 10 кгс/см² снабжены ручным насосом. Основным достоинством моделей серии Т является возможность воспроизведения давления на воздухе до 140 кгс/см .

 

   2 Эталонные комплексы,  построенные на электрических  и магнитных явлениях: эталоны  тока, напряжения, сопротивления, индуктивности,  емкости; безэховые камеры

   Особо можно рассмотреть эталонные  комплексы, построенные на электрических  и магнитных явлениях.

   В соответствии с определением единицы силы тока эталон должен быть основан на измерении  силы взаимодействия двух прямолинейных  проводников бесконечной длины  и ничтожно малого кругового сечения, расположенных на расстояния 1 м  один от другого в вакууме. При силе электрического тока в проводниках 1А сила взаимодействия составляет 7*10 Н на каждый метр длины.

   Данное  определение длительное время реализовывалось  с помощью токовых весов, включающих подвижную и неподвижную токонесущие  катушки и высокоточные равноплечие рычажные весы, к одному из плеч которых присоединена подвижная катушка, к другому - «чашка» с уравновешивающим грузом.

   Взаимодействие  подвижной и неподвижной катушек, соединённых последовательно, при  протекании по ним постоянного электрического тока, создаёт силу, которая вызывает отклонение одного плеча коромысла токовых весов. Эта сила уравновешивается грузом (набор гирь), помещённым на «чашке» весов второго плеча коромысла. Взаимодействие токов определяется по закону Ампера: 

   

 

где F₁ - сила взаимодействия токов в подвижной и неподвижной катушках;

   I₁ и I₂ - сила электрического тока в подвижной и неподвижной катушках;

   к- постоянная электродинамической системы весов, зависящая от формы и размеров катушек, диаметра сечения проводов катушек, магнитной проницаемости сред и т.д.

   В связи  с последовательным соединением  катушек токи в них одинаковы

   (I₁ = I₂).

   Уравновешивающая  сила тяжести, определяющая положение  нагружаемой гирями «чашки» весов, равна : 

   

 

где m- масса добавочного груза;

   g- значение ускорения свободного падения в месте расположения весов.

   При равновесном  положении токов весов, когда  F₁=F₂, сила тока должна иметь значение

   

 

где к- постоянная электродинамической системы, с размерностью LMT^-2I ^-2.

   Таким образом, можно определить силу электрического тока в зависимости от массы добавочного груза.

   Эталон  силы постоянного электрического тока в виде токовых весов включает в себя:

• электродинамическую систему, состоящую из подвижной катушки, имеющей две однослойные обмотки, и двух коаксиально расположенных

   неподвижных катушек с однослойными обмотками. Постоянная электродинамической системы составляет 3860555*10^- Н/А ;

• рычажные весы с дистанционным управлением, к одному плечу которых присоединена подвижная катушка, к другому - «чашка» для установки добавочного груза;
• цилиндрическую гирю диаметром 5 мм и длиной 50 мм, имеющую массу 8,16044 г;
• аппаратуру для передачи размера ускорения свободного падения вторичному и рабочим эталонам силы электрического тока.

   Погрешность воспроизведения данным эталоном единицы ампера, выраженная средним квадратическим отклонением результата измерений, составляет 4*10^-6, неисключённая составляющая систематической погрешности не превышает 8*10^-6.

   В 1992 году в качестве государственного первичного эталона силы постоянного электрического тока России в диапазоне 10^-6...30А утверждён эталон, позволяющий значительно повысить точность воспроизведения и передачи размера силы электрического тока. Новый эталон ампера состоит из двух комплексов. В первом применяется способ воспроизведения размера единицы силы тока (1мА и 1А) с использованием косвенных измерений силы тока I = U/r, причём размер единицы электрического напряжения - вольт - воспроизводится с помощью квантового эффекта Джозефсона, размер единицы электрического сопротивления - Ом - с по-мощью квантового эффекта Холла (см. ниже).

   Второй  комплекс воспроизводит силу постоянного  тока в диапазоне          10^-16 10^-9 А. Его основу составляет многозначная мера силы тока, включающая меру линейно изменяющегося электрического напряжения с набором герметизированных конденсаторов (Со), прибора для измерения напряжения (U), прибора для измерения времени (T_d) и компарирующего (сравнивающего) устройства.

   При воспроизведении  размеров единицы силы тока последний  определяется по формуле